EHF频段10 W连续波空间功率合成放大器

李 硕，周文硕

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



EHF频段10 W连续波空间功率合成放大器

李 硕，周文硕

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对EHF频段卫星通信对固态高功率需求问题，提出一种空间功率合成放大器的设计方案，基于BJ400标准波导的波导T型结功率分配/合成器、H面波导3 dB分支线电桥和波导-微带探针变换相结合的合成高效、结构紧密的空间功率合成。借助三维电磁仿真软件HFSS对无源网络进行仿真优化，依托精密的机械加工技术，进而实现了8路功率合成。驱动功放和末级功放均采用GaAs MMIC功放芯片，实现最小10 W的连续波功率输出。测试结果表明，在EHF频段43～45 GHz范围内，1 dB压缩点输出功率最小达到10 W，合成效率高于80%，在该频段上实现了高效率合成和大功率输出。此方案的结构具有尺寸容差大、易于制造和方便散热的特点，在工程应用中有很大的前景。

EHF频段；波导电桥；波导微带过渡；空间功率合成；连续波

0 引言

随着卫星通信技术发展，业务需求量的增加,无线电频谱资源越来越紧张。目前多数卫星使用C频段和Ku频段，部分使用Ka频段[1]。EHF频段作为下一代卫星通信系统的应用频段，具有抗核辐射的重要特点。目前国外的EHF频段卫星通信系统已进入了实用阶段。

大功率放大器是卫星通信系统中的核心部件,功率输出的大小直接决定了通信距离、抗干扰能力以及通信质量。相对于电真空功放，固态功放具有可靠性高、尺寸小、使用电压低和无需预热等优点，得到了广泛的使用[2]。但是在毫米波频段，单个固态功放元器件的输出功率有限，需要采用功率合成技术来获得更大的输出功率。传统的电路合成技术采用威尔金森电桥、微带分支线电桥和Lange耦合器等功率分配/合成网路，虽然结构简单、技术成熟、工程上广泛应用[3]，但是在毫米波频段电路合成损耗大，这些技术主要用于芯片级的功率合成，且合成效率随功分/合成网络级数的增多显著下降，因而限制了固态功放器件的数量，无法满足高效率与大功率二者兼顾的要求。

空间功率合成技术最大的优点在于功率合成效率高，特别是越多功放器件合成大功率，兼顾高效和大功率，例如准光合成以及波导裂缝阵等[4]。但是准光合成以及波导裂缝阵结构缺陷使它们在散热这个重要性能上有很大不足，难以应用于大功率连续波输出场合。本文提出的波导内空间功率合成方案，在EHF频段上实现高效合成效率，易于散热的特点可应用于连续波场合，其设计思路亦可应用于其他毫米波频段的功率合成电路设计中。

1 EHF频段功率合成网络的设计

1.1 总体设计

EHF频段10 W功率放大器组成如图1所示。本文提出一种结构紧凑的8路功率合成网络实现EHF频段上大于10 W连续波功率输出，从图1中可以看出，采用外部H面波导T型结功分/合成器与2个4路功率合成模块相结合。这种合成方案优点是4路功率合成模块合成效率高、体积小；4路功率合成模块通过测试与电路调试，确保功放模块的幅度和相位相近，才能进行最终的功率合成；其整体结构进行模块分解，可维护性强。本文方案结构简单、易实现，且符合模块化设计要求。

图1 EHF频段10 W功率放大器组成

1.2 4路功率合成模块的设计

图2 4路功率合成模块结构

4路功率合成模块结构采用了H面波导3 dB分支线电桥、E面波导T型结功率分配/合成器和波导-微带探针变换相结合的方式。如图2所示，合成模块可分解以下几个部分：① H面波导3 dB分支线电桥，由此实现信号的2路等幅相位正交的输出；② 上下2层E面波导T型结2路功率分配/合成网络，实现了4路信号分离进入功放芯片进行放大，再进行两两合成；③ 是H面波导3 dB分支线电桥，由此实现上下两T型结输出功率的合成。该结构具有以下优点:首先克服双层探针结构在同一空间内功放芯片的互相影响，降低功放芯片工作的不稳定性；其次，波导3 dB分支线电桥具备端口隔离度，使得上下2部分的其一损坏，不会影响或者损坏另一部分；最后，这种多层立体型结构缩小了电路的体积，实现了模块小型化，减小了电路损耗，从而增加了整个电路的可靠性。

1.2.1 H面波导3 dB电桥的原理及仿真

文献[5]提出了一种宽带H面电桥的结构，该结构紧凑并具有良好隔离度和正交等幅功率分配/合成特性。本文在此基础上设计了一个EHF波段H面波导3 dB分支线电桥。该结构运用高次模耦合，采用H面波导膜片来改变耦合窗位置的宽边尺寸，以匹配标准波导中传输的主模，进而改变高次模的特性阻抗，从而实现二者阻抗匹配。该结构较简单、工作频带较宽、插入损耗低、隔离度高和体积小等特点，故非常适合工程应用。该结构在HFSS中建模仿真，在42～46 GHz内各个端口的回波损耗大于20 dB，输出端口的幅度相差小于0.2 dB，隔离度大于20 dB，完全满足功率合成要求。

1.2.2 E面波导T型结结合波导微带探针过渡

波导E面T型结功分/合成器具有体积小、易加工和容差好等特点[6]，被广泛应用于功率分配与合成中。

波导E面T型结是在主波导宽边面上进行分支，从其等效电路看，波导宽边的不连续面将引入一个串联电抗[7]。通常的匹配方法是加入一个相反特性的电抗元件来补偿波导不连续性带来的电抗[8]。为了适合工程应用，最好是可以一体化加工的紧凑结构，因此在主波导中加入一个电容性的台阶匹配，其高度和宽度影响中心频率和带宽。

波导-微带探针变换[9]相比波导同轴探针[10]有结构紧凑、容差好等特点，因而在毫米波电路中广泛应用。和微带天线一样，只要保证微带与电场平行即可以激励出电流，其中伸入波导内的微带探针长度与中心频率相关，宽度则影响工作带宽，微带探针后的阻抗变换部分可以扩展变换结构的工作带宽，微带探针中心到波导短路面距离约为1/4波导波长，这样可以保证在微带探针位置的电场最强，从而实现探针最强的能量耦合[11]。

基于以上分析，在HFSS中建立的波导E面T型结功分/合成器与波导微带探针变换结合的网络建模优化，在42～46 GHz频率范围内，端口的回波损耗大于20 dB，插入损耗小于0.4 dB。该结构适用于EHF频段分配/合成网络。

1.2.3 4路功率合成模块的整体结构仿真分析

综合上述内容，将H面3 dB电桥结合E面T型结、波导探针过渡，构成4路功率合成无源网络，在电磁仿真软件HFSS建模如图3所示。仿真优化后，并且加工制作。其仿真结果与无源实测结果如图4所示。仿真结果显示，该无源网络的在工作频带范围内，回波损耗大于20 dB，插入损耗小于0.4 dB。虽然实测结果比仿真结果恶化，但是可以满足工程应用的需求。造成恶化的主要原因来于加工精度与毫米波微组装的误差，以及仿真建模的误差。

图3 4路功率合成无源网络模型

图4 仿真与实测结果对比

1.3 H面波导T型结分配/合成器设计

1.3.1 H面波导T型结分配/合成器原理

H面波导T型结是在主波导窄边面上的进行分支，其轴线平行于主波导主模TE10的磁场方向，从其结构与等效电路结合看，波导H面T型结分支线相当于并联于主波导的分支线。

当信号从主端口进入时，等功率分给2个输出端口，两端口输出等幅同相的TE10波；同理，当在2个分路端口同相激励时，主端口的合成输出最大，而当两个分路端口反相激励时，主端口将无输出。H面波导T型结的散射矩阵为：

(1)

可以采用与E面波导T型结功分/合成器类似的匹配方法，在主波导中加入一个感性膜片即可，如果工作带宽不够，同样在主波导与分路波导之间中加入2个对称的感性膜片做辅助匹配，以拓展带宽。

1.3.2 H面波导T型结分配/合成器仿真

按照上一节的分析，在HFSS中建立的H面波导T型结功分/合成器模型和优化后的仿真结果如图5和图6所示。

图5 H面波导T型结分配/合成器模型

图6 H面波导T型结分配/合成器仿真结果

其中，分支波导中间感性膜片的长度和厚度主要影响中心频率，主波导的对称电感膜片用于扩展带宽，起到辅助匹配的作用。从仿真结果图可以看出在42～46 GHz频率范围内，输入端口的回波损耗大于25 dB，2个输出端口的幅度不平衡度小于0.2 dB，该结构可以应用于工程实际。

2 EHF频段10 W功率放大器的实现

2.1 有源放大部分设计实现

本文中MMIC功放芯片采用NC11210C-4045，其增益为17 dB，1 dB压缩点输出功率大于32 dBm，供电电压典型值分别为-0.6 V/6 V，静态电流2 A，饱和输出功率电流为3 A。驱动功放采用的是NC11208C-4045和NC11210C-4045，NC11208C-4045提供增益，NC11210C-4045提供功率驱动8片NC11210C-4045，提供大功率输出。由于采用的MMIC功放芯片为耗尽型，需要对沟道进行预夹断，因而设计一种时序保护电路来对功放供电，加电时，保证加上栅压，再加漏压；断电时，先断漏压，再断栅压。

单路之间的幅相一致性大大影响功率合成效率，本方案中虽然采用一个批次MMIC芯片，其本身的幅度相位一致性高，但是为了尽可能提高合成效率，必须保证机械加工的高精度，同时芯片微组装输入输出金丝的一致性要好，也要注意微带探针的安装要很高的一致性。根据文献[12]研究，两合成信号的相位差小于15°，基本不影响合成的功率；如果相位差超过30°，那么对合成的功率有大的影响。所以在使用4路功率合成模块与H面波导T型结功分/合成器做最终大功率合成输出时[13]，一定保证2个四路功率合成模块的输出相位差小于30°。

2.2 实测结果

将加工的EHF频段无源合成网络与MMIC功放芯片组装到一起，得到功放实物如图7所示，体积为120 mm×80 mm×30 mm。该功放的1 dB压缩点输出功率测试在高中低3个频率上，实测结果为：在43 GHz上，得到40.2 dBm的输出功率；在44 GHz上，得到40.2 dBm的输出功率；在45 GHz上，得到40.1 dBm输出功率。在中心频率44 GHz，1 dB压缩点输出功率回退3 dB，三阶交调实测值为-23 dBc。从实测结果可以估计该功率放大器的合成效率[14-15]，在45 GHz的最小功率输出时，其合成效率为81.2%。

图7 EHF频段10 W功率放大器实物

3 结束语

本文提出了一种结构新颖的EHF频段8路功率合成方案，研制了一个高效、大功率的功率放大器，有助于EHF频段卫通通信技术的发展。EHF频段功率放大器具有体积小、重量轻、可靠性高、加工调试方便和一致性好的特点。经过实际测试，该功率放大器在43～45 GHz范围内，最小的1 dB压缩点输出功率大于10 W，合成效率最小为81%，在1 dB压缩点回退3 dB处的三阶交调为-23 dBc。测试结果表明，该功率放大器达到国外同类产品水平，将在EHF频段卫星通信系统中有广阔的应用前景。

[1] LI Shuo,YANG Zhi-guo,JIA Shi-wang,et al.Development of EHF-band 10W Solid-State Transmitter[C]∥2012 5th Global Symposium on Millimeter-Waves GSMM,2012:220-223.

[2] 赵晨曦,谢小强,徐锐敏.毫米波10 W空间功率合成放大器研制[J].红外毫米波学报,2008,27(6):433-436.

[3] 刘立浩,王 斌.50 W Ka频段固态功率放大器设计[J].无线电工程,2013,43(11):46-49.

[4] 曹卫平,王秉中,李思敏,等.新型拓展毫米波开槽波导功率合成器[J].微波学报,2010,26(2):74-77.

[5] 王 斌,王 义.毫米波300 W固态功率合成放大器的设计[J].无线电工程,2013,43(4):44-47.

[6] 李 硕,杨志国,杨锁强,等.用于热备份的Ka频段30W功放系统研制[J].无线电通信技术,2013,39(5):59-62.

[7] 王 雷,刘立浩,薛 腾,等.Ku频段80 W固态功率放大器的设计与实现[J].无线电工程,2015,45(11):73-76.

[8] MARCUVITZ N.Waveguide Handbook(2nd Edition)[M].New York:PeterPeregrinus Ltd,1985：336-350.

[9] YAO Hui-wen,ABDELMONEM A,LIANG Ji-fu,et al.Analysis and Design of Microstrip-to-Waveguide Transitions[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1994,42(12):2 371-2 380.

[10] 周豫民,张海福.同轴—波导四路功率合成器的研制[J].无线电通信技术,2013,39(1):77-79.

[11] LEONG Y C,WEINREB S.Full Band Waveguide-to-Microstrip Probe Transitions[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1999,47(9):1 435-1 438.

[12] 罗正明 功率信号的振幅和相位对功率合成的影响[J].有线电视技术,2010(1):99-102.

[13] 柯 林,章国豪,冯卫峰.关于功率放大器中功率检测在负载失配下的研究[J].移动通信,2014,38(12):55-58.

[14] 李瑞阳,刘太君,叶 焱.平衡式宽带Doherty射频功率放大器[J].移动通信,2015,39(3/4):133-137.

[15] 刘振海.TD-LTE射频功率放大器的设计[J].移动通信,2015,39(22):59-63.

李 硕 男，(1982—)，高级工程师。主要研究方向：微波毫米波技术。

周文硕 女，(1987—)，助理工程师。主要研究方向：通信系统。

Design of an EHF-band 10 W CW Spatial Power Combining Amplifier

LI Shuo,ZHOU Wen-shuo

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

For the requirement of high-power solid-state amplifier in satellite communication,this paper presents an EHF band spatially power combined amplifier.It is a compact high-efficiency spatial power combining system based on WR22 waveguide T-junction power divider/combiner,waveguide hybrid and waveguide micro-strip probe transition.The proposed passive structure is simulated and optimized by 3D field EM software HFSS.Using precision machining process,an 8-way power combining structure is achieved.The GaAs MMICs are used in both driver amplifier and final amplifier,which implement at least 10 W CW power output.The test results show that the output power of at least 10 W at the 1 dB compressed point can be achieved with high efficiency of more than 80% in EHF band of 43～45 GHz.The design has advantages of large tolerance,ease of manufacture,good heat dissipation and so on,and has broad prospects in engineering application.

EHF band;waveguide hybrid;waveguide micro-strip transition;spatial power combining;CW

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.19

李 硕，周文硕.EHF频段10 W连续波空间功率合成放大器[J].无线电工程,2016,46(12):78-82.

2016-08-12

国家部委基金资助项目。

TN713.5

A

1003-3106(2016)12-0078-05